Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), des University of Exeter Centre for Graphene Science und der TU Eindhoven hat herausgefunden, dass auf Graphen basierende Materialien Terahertz-Hochfrequenzsignale effizient in sichtbares Licht umwandeln können. Dieser Mechanismus ist ultraschnell und justierbar, wie das Team in Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00507) berichtet. Die Ergebnisse eröffnen den Weg für neue Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie der nahen Zukunft.
Die Fähigkeit, Signale von einem Frequenzbereich in einen anderen umzuwandeln, ist der Schlüssel zu verschiedenen Technologien, insbesondere in der Telekommunikation. Hier werden beispielsweise Daten von elektronischen Geräten häufig als optische Signale durch Glasfasern übertragen. Um deutlich höhere Datenübertragungsraten zu ermöglichen, müssen künftige drahtlose 6G-Kommunikationssysteme die Trägerfrequenz über 100 Gigahertz hinaus bis in den Terahertz-Bereich erweitern. Terahertz-Wellen sind ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt. Sie können jedoch nur über begrenzte Entfernungen für die drahtlose Datenübertragung genutzt werden. „Daher wird ein schneller und kontrollierbarer Mechanismus zur Umwandlung von Terahertz-Wellen in sichtbares oder infrarotes Licht benötigt, das über lange Distanzen in optischen Fasern transportiert werden kann. Auch Bildgebungs- und Sensortechnologien könnten von einem solchen Mechanismus profitieren“, sagt Dr. Igor Ilyakov vom Institut für Strahlenphysik am HZDR.
Was bisher fehlt, ist ein Material, das Photonenenergien um einen Faktor von etwa 1000 vom Terahertz- in den sichtbaren Bereich hochkonvertieren kann. Das Team hat erst kürzlich die starke nichtlineare Reaktion von so genannten Dirac-Quantenmaterialien, z. B. Graphen und topologischen Isolatoren, auf Terahertz-Lichtpulse entdeckt. „Dies äußert sich in der hocheffizienten Erzeugung von hohen Harmonischen, also Licht mit einem Vielfachen der ursprünglichen Frequenz. Diese Harmonischen liegen noch im Terahertz-Bereich, aber es gab auch erste Beobachtungen von sichtbarer Lichtemission aus Graphen bei Infrarot- und Terahertz-Anregung“, erinnert sich Dr. Sergey Kovalev vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „Bislang war dieser Effekt extrem ineffizient und der physikalische Mechanismus dahinter unbekannt.“
Der zugrundeliegende Mechanismus
Die neuen Ergebnisse liefern eine physikalische Erklärung für diesen Mechanismus. Sie zeigen, wie die Lichtemission durch die Verwendung von hochdotiertem Graphen oder eines Gitter-Graphen-Metamaterials – ein Material mit einer maßgeschneiderten Struktur, das sich durch besondere optische, elektrische oder magnetische Eigenschaften auszeichnet – stark verstärkt werden kann. Das Team beobachtete auch, dass die Umwandlung sehr schnell erfolgt – im Sub-Nanosekundenbereich – und dass sie durch zusätzliche elektrostatische Felder kontrolliert werden kann.
„Wir führen die Lichtfrequenzumwandlung in Graphen auf einen Terahertz-induzierten thermischen Strahlungsmechanismus zurück, das heißt, die Ladungsträger absorbieren elektromagnetische Energie aus dem einfallenden Terahertz-Feld. Die absorbierte Energie verteilt sich schnell im Material, was zu einer Erwärmung der Ladungsträger führt. Dies führt schließlich zur Emission von Photonen im sichtbaren Spektrum, ganz so wie Licht, das von jedem aufgeheizten Objekt emittiert wird“, erklärt Prof. Klaas-Jan Tielrooij von der Gruppe Ultrafast Dynamics in Nanoscale Systems des ICN2 und gleichzeitig Forscher der Technischen Universität Eindhoven.
Die Geschwindigkeit der Umwandlung von Terahertz-Licht in sichtbares Licht sowie die Justierbarkeit, die in Materialien auf Graphenbasis erreicht wird, birgt großes Potenzial für Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie. Der zugrundeliegende ultraschnelle thermodynamische Mechanismus könnte sicherlich Auswirkungen auf Terahertz-Telekom-Verbindungen sowie auf jede Technologie haben, die eine ultraschnelle Frequenzumwandlung von Signalen erfordert.
Publikation:
Ilyakov, A. Ponomaryov, D. Saleta Reig, C. Murphy, J. D. Mehew, T. V.A.G. de Oliveira, G. L. Prajapati, A. Arshad, J.-C. Deinert, M. F. Craciun, S. Russo, S. Kovalev, and K.-J. Tielrooij, Ultrafast Tunable Terahertz-to-Visible Light Conversion through Thermal Radiation from Graphene Metamaterials, Nano Letters, 2023 (DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00507)
(Simon Schmitt - Kommunikation und Medien - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)
